实验室近年来的代表性成果

规则胞格爆轰起爆与传播的统一框架理论

发布时间： 2011-01-01 来源：字体： [ 大中小 ]

研究类型	基础研究
完成单位署名排序	中国科学院力学研究所
本室参加的固定人员名单	姜宗林、赵伟、王春、刘云峰、滕宏辉、李进平、韩桂来等
是否保密	否

1、成果简介

强激波及其诱导的气体解离和燃烧进程与宏观高速流动的强耦合构成了高温气体动力学学科的基础，是高焓高超声速流动需要研究的核心问题。热效率极高的爆轰现象是一种强激波诱导的化学反应过程，对于发展先进的高超声速推进有着非常重要的应用价值。爆轰是一种具有三维多波结构和明显胞格特征的复杂物理现象。近百年的大量研究对于爆轰现象从不同角度、应用不同方法、作出了不同的描述，各自在不同程度上反应了现实爆轰波的某些特性，缺乏对爆轰现象的统一把握。所以提炼出关键物理机制、基本物理过程和关键状态，构造爆轰波的基础性框架理论，统一解释已经发展的爆轰理论是具有重要意义的基础性研究工作。

五年来，实验室开展了系列的爆轰物理研究和探索，提出了规则胞格爆轰起爆与传播的统一框架理论。该理论构架由一个关键物理机制（非线性波与化学反应相互作用机制Interaction of Wave Propagation and Chemical Reactions, IWPCR)，两个基本物理过程（热点与化学反应带加速）和三个关键物理状态（临界起爆状态、临界传播状态、临界胞格尺度）组成。应用构架理论能够成功地统一解释目前由实验、计算和理论分析获得研究结果依据的物理机制，对于爆轰理论研究与探索具有指示性意义。

2、主要成果和创新点

（1）通过激波/障碍物相互作用诱导的热点起爆和激波会聚诱导热点起爆研究，详细解析了热点起爆过程，描述了非线性波与化学反应在具有温度梯度环境条件下的相互作用机制（IWPCR），论证了临界起爆状态的存在性，提出了采用热点作为统一框架理论的一个基本物理过程。

（2）通过激波/火焰面相互作用诱导的化学反应带加速过程的研究，观测到了凸面化学反应带的加速现象，分析了反应带加速的机制，比较了化学反应带与热点发展过程的同异。提出了采用反应带带加速作为统一框架的另一个基本物理过程。

（3）通过爆轰在不同尺度流道内传播过程的研究，观测到爆轰胞格自适应调整现象，发现了爆轰波传播过程横波运动的半波定理，定义了爆轰胞格的临界尺度。

（4）通过柱面爆轰传播过程中胞格自组织现象研究，提出了在临界尺度条件下，随着爆轰波面的不断扩大，为了保持胞格尺度基本恒定，柱面爆轰胞格自分裂的四个主要演化模式。

（5）通过平面爆轰波反射与绕射传播过程的研究，观测到了在维持恒定压缩或者膨胀驱动的条件下，对于给定的可燃混合气和初始热力学状态，爆轰波能够以超临界或者亚临界状态稳定传播的现象。提出了胞格爆轰波在热点与反应带相互作用支撑下的传播物理机制。

3、成果应用情况

根据统一框架理论，理论分析提出的CJ模型依据爆轰波的临界传播状态，是胞格爆轰运动的平均度量；ZND理论模型建立依据临界传播状态和化学反应带加速这个基本物理过程，是爆轰波的平衡运动状态；计算模拟的二、三维胞格爆轰和实验观测到的胞格爆轰传播表现为在热点与化学反应带相互作用支撑下围绕临界状态作周期性的运动，其胞格特征受制于临界胞格尺度。爆轰波的起爆受制于IWPCR机制和临界起爆状态，热点与化学反应带两个基本物理过程可以在起爆过程中共存，也可以独立起作用。应用构架理论能够成功地统一解释目前由实验、计算和理论分析获得研究结果依据的物理机制，对于爆轰理论研究与探索具有指示性意义。

五年来，实验室发表统一框架理论相关的学术论文32篇，其中14 篇为SCI收录。

4、重要引用或评价

发表在国际权威学术期刊《Combustion and Flame》的研究结果：受到了审稿人的高度评价。评语中写道“This paper will give other researchers "food for thought" and lead to a better understanding of the generation of transverse waves. It definitely belongs in Combustion and Flame”。 Self-organized generation of transverse waves in diverging cylindrical detonations

5、成果清单

序号	成果类型	成果名称	完成人	刊物、出版社或授权单位名称	年、卷、期、页或专利号
1	论文	Self-organized generation of transverse waves in diverging cylindrical detonations	Jiang ZL, Han GL, Wang C, et al	Combustion and Flame	2009, 156(8):1653-1661
2	论文	Reconsideration on the Role of the Specific Heat Ratio in Arrhenius Law Applications	Liu YF, JiangZL	Acta Mechanica Sinica	2008,24(3):261-266
3	论文	Half -Cell Law of Regular Cellular Detonation	Wang C, Jiang ZL, Gao YL	Chinese Physics Letters	2008,25(10): 3704-3707
4	论文	Cellular cell bifurcation of cylindrical detonations	Han GL, Jiang ZL, Wang C, et al	Chinese Physics Letters	2008, 25(6): 2125-2127
5	论文	Numerical investigation on evolution of cylindrical cellular detonation	Wang C, Jiang ZL, Hu ZM et al	Applied Mathematics and Mechanics	2008,29(11): 1487-1494
6	论文	Analytical interaction of the acoustic wave and turbulent flame	Teng HH, Jiang ZL	Chinese Physics Letters	2007,24(2): 567-569
7	论文	Detonation initiation developing from the Richtmyer-Meshkov Instability	Teng HH, Jiang ZL, Hu ZM	Acta Mechanica Sinica	2007,23 (4): 343-349
8	论文	Dynamic characteristics of spherically-converging detonation waves	Jiang ZL, Chang L, Zhang F	Shock Waves,	2007, 16(3): 256-267
9	论文	脉冲爆轰发动机的系统性能分析	李旭东,王爱峰,王春等	力学学报	2010,42(3): 366-372
10	论文	柱面气相散心爆轰波胞格演化规律研究	韩桂来,姜宗林,王春等	空气动力学学报	2009,27(增刊):69-76
11	论文	激波与爆轰波对撞的数值模拟研究	韩桂来,姜宗林,张德良	力学学报	2008,40(2):154-161
12	论文	可燃气体中激波聚焦的点火特性	滕宏辉,王春,邓博等	力学学报	2007,39(2): 171-180
13	论文	可燃气体中激波和障碍作用在下游形成爆轰波的数值研究	滕宏辉,吕俊明,姜宗林	爆炸与冲击	2007,27(3): 251-258
14	论文	爆轰波穿越惰性气团时的透射激波参数分析	王春,赵伟,孙英英等	空气动力学学报	2007,25(3): 330-335
15	论文	多障碍物通道中激波诱导气相爆轰的数值研究	王春,张德良,姜宗林	力学学报	2006,38(5): 586-592

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